Bạn đã bao giờ tự hỏi làm thế nào các nhà khoa học pháp y và điều tra viên tính toán vận tốc của một viên đạn chưa? Làm thế nào về việc tìm hiểu về cách một viên đạn di chuyển hoặc nó chạm vào thứ gì đó mạnh như thế nào?
Con lắc đạn đạo là một công cụ đã thay đổi thế giới đạn đạo và mở đường cho khoa học pháp y như chúng ta biết ngày nay.
Là một sinh viên kỹ thuật hoặc kỹ sư, điều quan trọng là phải hiểu cách thức hoạt động của một con lắc đạn đạo và cách thức hoạt động của nó.
Trong bài đăng trên blog này, tôi sẽ xem xét khoa học đằng sau thiết bị thú vị này, bao gồm cách thức hoạt động của nó, các quy tắc mà nó tuân theo và tầm quan trọng của nó trong kỹ thuật và các lĩnh vực khác.
Vì vậy, hãy mặc áo khoác phòng thí nghiệm của bạn vào và bắt đầu nào!
Giới thiệu về con lắc đạn đạo
Định nghĩa chính thức:
Một thiết bị sử dụng độ lệch của trọng lượng lơ lửng để xác định động lượng của đạn.
Con lắc đạn đạo là một thiết bị đơn giản nhưng hiệu quả được sử dụng để đo vận tốc và động năng của vật phóng, chẳng hạn như viên đạn.
Nó được tạo thành từ một khối gỗ lớn được treo bằng hai sợi dây và đóng vai trò là quả lắc lắc lư.
nguyên tắc làm việc
Để đo tốc độ của một viên đạn bằng một con lắc đạn đạo, một viên đạn được bắn vào một khối gỗ được treo trên một sợi dây.
Viên đạn bị mắc kẹt trong khối, làm cho toàn bộ hệ thống khối và viên đạn bay lên một độ cao h.
Bảo toàn năng lượng cơ học nói rằng 12(m+M)v f2 = (m+M)gh, trong đó m là khối lượng của viên đạn, M là khối lượng của khối, vf là tốc độ cuối cùng của chúng sau va chạm, và h là điểm cao nhất của họ.
Luật bảo tồn
Các định luật bảo toàn liên quan đến việc tính toán vận tốc ban đầu của viên đạn trong con lắc đạn đạo là các định luật bảo toàn động lượng và bảo toàn năng lượng.
Trong quá trình va chạm, động lượng được giữ nguyên và sau va chạm, năng lượng được giữ nguyên.
Khi viên đạn đạt đến điểm cao nhất, động năng mà nó có lúc đầu được biến thành thế năng.
Khi con lắc dao động ngược trở lại, thế năng hấp dẫn bị biến trở lại thành động năng.
Cách độc đáo để giành chiến thắng trong một cuộc tranh luận: Con lắc đạn đạo
Vẫn còn khó hiểu? Hãy để tôi thay đổi quan điểm một chút:
Người ta nói rằng cây bút mạnh hơn thanh kiếm, nhưng con lắc đạn đạo thì sao? Đừng bận tâm đến lý luận và các phép đo chính xác.
Hãy lấy quả lắc đạn đạo đáng tin cậy của bạn vào lần tới khi bạn đang tranh cãi nảy lửa và để nó lên tiếng.
Rốt cuộc, không có gì nói "Tôi đúng" giống như một thiết bị sử dụng trọng lượng ném để tìm ra tốc độ di chuyển của đạn.
Được rồi, đó chỉ là một trò đùa để trông giống như một quảng cáo trên TV.
Bây giờ chúng ta hãy quay lại phần giải thích.
Hiểu chức năng của con lắc đạn đạo
Thiết bị này được tạo thành từ một khối gỗ lớn được giữ bằng hai sợi dây.
Khối này là bob con lắc.
Va chạm không đàn hồi là con lắc bi.
Trong loại va chạm này, các vật va vào nhau sẽ dính vào nhau và động năng không được giữ nguyên.
Khi một viên đạn được bắn vào khối gỗ, viên đạn sẽ bị mắc kẹt trong khối gỗ, khối gỗ và viên đạn cùng nhau vung lên một độ cao tùy thuộc vào độ nặng của viên đạn và khối gỗ.
Đây là một ví dụ về va chạm không đàn hồi vì động năng không giữ nguyên.
Làm thế nào để tìm ra tốc độ
Kích thước của dao động của con lắc có thể được sử dụng để tính ra động lượng của viên đạn, sau đó có thể được sử dụng để tính ra tốc độ của nó.
Khi sử dụng một con lắc đạn đạo để tìm ra tốc độ di chuyển của đạn, bạn không cần phải đo thời gian.
Thay vào đó, bạn chỉ cần đo khối lượng và khoảng cách.
Đồng hồ bấm giờ, có thể đo trực tiếp tốc độ của đạn, hầu hết đã thay thế con lắc đạn đạo.
Nhưng nó vẫn được sử dụng trong các lớp học để chỉ ra động lượng và sự bảo toàn năng lượng hoạt động như thế nào.
Tính vận tốc đạn và các thông số khác
Để tìm ra tốc độ ban đầu của một viên đạn với sự trợ giúp của một con lắc đạn đạo, một viên đạn được bắn vào quả lắc đang dao động tự do của con lắc.
Sau khi hai vật va vào nhau, con lắc dao động đến điểm cao nhất và vận tốc tổng hợp của quả lắc và viên đạn thay đổi.
Định luật bảo toàn động lượng có thể được sử dụng để xác định vận tốc ban đầu của viên đạn theo khối lượng của viên đạn và quả lắc và độ cao mà con lắc đạt được.
Trước khi viên đạn và quả lắc va vào nhau, cả hai đều có cùng tốc độ.
Bằng cách đo độ cao của con lắc lên đến điểm cao nhất, bạn có thể biết viên đạn lúc đầu di chuyển nhanh như thế nào.
Tính vận tốc đạn sử dụng khoảng cách và thời gian
Theo một cách khác, tốc độ ban đầu của một viên đạn có thể được tìm ra bằng cách đo khoảng cách mà nó di chuyển theo chiều ngang.
Con lắc không được sử dụng trong phương pháp này và nó có thể được tháo ra khỏi bản lề để nó không cản trở thí nghiệm.
Đạn được bắn theo chiều ngang và phạm vi của nó được đo.
Với con số này, chúng ta có thể sử dụng phương trình để tính xem chuyến bay sẽ mất bao lâu (6).
Sau đó, sử dụng phương trình x = v0 t, trong đó V0 là tốc độ ban đầu của viên đạn, chúng ta có thể tìm ra tốc độ ban đầu.
Tính lực tác dụng lên dây
Chúng ta có thể sử dụng các định luật bảo toàn động lượng và năng lượng để tìm ra lực tác dụng lên sợi dây ngay sau va chạm.
Sự thay đổi tốc độ của viên đạn bằng lực mà nó tác dụng lên khối.
Chúng ta có thể tìm ra điều này bằng cách sử dụng thực tế là động lượng không thay đổi trước và sau khi va chạm.
Động lượng ban đầu của viên đạn được cho bởi phương trình p = mv0, trong đó m là khối lượng của viên đạn và v0 là tốc độ ban đầu của viên đạn.
Sau va chạm, vật có khối lượng (m + M) chuyển động với vận tốc vf.
Định luật bảo toàn động lượng cho chúng ta biết rằng mv0 = (m + M)vf.
Chúng ta có thể giải cho vf: vf = mv0 / (m + M).
Khi đó xung lực do viên đạn truyền vào khối được cho bởi: I = Δp = m(vf - v0) (vf - v0).
Chúng ta có thể sử dụng định luật bảo toàn năng lượng để tìm ra lực tác dụng lên sợi dây ngay sau khi nó chạm đất.
Tổng cơ năng trước khi va chạm bằng tổng cơ năng sau va chạm: (1/2)mv02 = (1/2)(m+M)vf2 + (m+M)gh, trong đó g là gia tốc gây ra bởi trọng lực và h là điểm cao nhất mà hệ thống khối và đạn có thể đạt tới.
Chúng ta có thể giải vf bằng phương trình trước đó và thế nó vào phương trình sau: (1/2)mv0^2 = (1/2)(m+M)(mv0 / (m+M))^2 + (m+ M)gh.
Bằng cách làm cho phương trình này càng đơn giản càng tốt, chúng ta có: v02 = 2gh / (1+M/m).
Định luật thứ hai của Newton cho chúng ta biết cách tìm lực F tác dụng lên sợi dây: F = I / t, trong đó t là thời gian để hệ khối và viên đạn ngừng chuyển động.
Tính góc dao động của con lắc
Tốc độ ban đầu của quả đạn phụ thuộc vào khoảng cách mà con lắc vung lên và độ nặng của quả lắc và quả đạn.
Khi một viên đạn va vào con lắc thì con lắc chuyển động từ vị trí cân bằng đến góc cực đại.
Các yếu tố ảnh hưởng đến thí nghiệm con lắc đạn đạo
Trong một thí nghiệm con lắc đạn đạo, một viên đạn được bắn vào một khối gỗ được treo trên một sợi dây.
Điều này làm cho toàn bộ vật dao động lên đến độ cao h.
Để đạt được kết quả chính xác, điều quan trọng là giảm thiểu các nguồn lỗi.
Trong quá trình thử nghiệm trong phòng thí nghiệm với con lắc đạn đạo, lỗi có thể xảy ra do các công cụ đo lường không hoàn hảo, ảnh chụp không phải lúc nào cũng giống nhau hoặc các phương trình không được sắp xếp lại chính xác.
Giảm nguồn lỗi
Một số điều có thể được thực hiện để cắt giảm những sai lầm.
Đầu tiên, làm một con lắc hoạt động tốt và không thay đổi.
Điều này có thể được thực hiện bằng cách bắt vít một thanh có ren vào hộp nhựa và thêm trọng lượng để tạo tâm cân bằng gần tâm hộp.
Đánh dấu cẩn thận vị trí của khối tâm và kiểm tra thiết bị bằng cách cân bằng thiết bị trên bút chì.
Thứ hai, các phép đo phải được thực hiện chính xác, với dây và thước đứng yên.
Điều này có thể được thực hiện bằng cách đảm bảo rằng thiết bị được sử dụng trong thí nghiệm ổn định và an toàn.
Thứ ba, đạn phải được bắn theo một đường thẳng và mỗi lần bắt theo cùng một cách.
Một cách để làm điều này là tạo ra một cách để bọt bắt đạn theo cách hoạt động mọi lúc.
Sử dụng thiết bị tiên tiến
Sử dụng thiết bị hiện đại cũng có thể giúp giảm bớt sai sót.
Ví dụ: sử dụng đầu đọc góc chính xác hơn có thể giúp thực hiện các phép đo chính xác hơn.
Ngoài ra, việc lặp lại thử nghiệm nhiều lần và ghi lại dữ liệu sau mỗi lần thử nghiệm có thể giúp xác định mọi điểm không nhất quán hoặc điểm khác biệt trong dữ liệu.
Tóm lại, việc giảm sai sót trong thí nghiệm phòng thí nghiệm con lắc đạn đạo bao gồm thực hiện các bước như chế tạo thiết bị con lắc chính xác, đo khoảng cách chính xác, bắn thẳng một cách nhất quán với cơ chế bắt phù hợp, sử dụng thiết bị tiên tiến nếu có thể và lặp lại thí nghiệm nhiều lần.
Bằng cách giảm số lượng những nơi có thể xảy ra lỗi, thí nghiệm có thể được thực hiện chính xác hơn, điều này sẽ dẫn đến kết quả đáng tin cậy hơn.
Bản trình diễn va chạm: Con lắc đạn đạo
Mẹo: Bật nút phụ đề nếu bạn cần. Chọn “dịch tự động” trong nút cài đặt, nếu bạn không quen với ngôn ngữ nói. Bạn có thể cần nhấp vào ngôn ngữ của video trước khi ngôn ngữ yêu thích của bạn có sẵn để dịch.
Trường hợp sử dụng
| Được dùng trong: | Sự miêu tả: |
|---|---|
| Đo tốc độ của một viên đạn: | Công dụng chính của con lắc đạn đạo là đo vận tốc của đạn. Bằng cách đo khối lượng lơ lửng di chuyển bao nhiêu sau khi một quả đạn va vào nó, các kỹ sư và nhà khoa học có thể tìm ra tốc độ di chuyển của quả đạn khi nó va vào quả nặng. |
| Hiệu chuẩn viên đạn: | Con lắc đạn đạo được sử dụng để đảm bảo rằng đạn chính xác và nhất quán. Thiết bị này có thể xác định động năng, động lượng và vận tốc của viên đạn, sau đó có thể được sử dụng để điều chỉnh thiết kế và chế tạo viên đạn. |
| Điều tra sự cố đạn đạo: | Các chuyên gia pháp y có thể sử dụng con lắc đạn đạo để điều tra các sự cố đạn đạo. Bằng cách nhìn vào đường đi và tốc độ của viên đạn, họ có thể nhận được thông tin quan trọng có thể giúp phá án hoặc tai nạn. |
| Tài liệu cho các bài kiểm tra: | Con lắc đạn đạo được sử dụng để kiểm tra độ bền và hiệu quả của những thứ như áo giáp và đồ bảo hộ. Bằng cách bắn các viên đạn vào vật liệu và đo độ lệch của con lắc, các kỹ sư và nhà khoa học có thể đánh giá hiệu quả của vật liệu trong việc ngăn chặn hoặc làm chậm một viên đạn. |
| Nghiên cứu về đạn đạo: | Các nhà nghiên cứu sử dụng con lắc đạn đạo để tìm hiểu cách hoạt động của đạn trong các tình huống khác nhau. Các nhà khoa học có thể tìm ra đường đi và tốc độ của một viên đạn bị ảnh hưởng như thế nào bởi những thứ như lực cản không khí, trọng lực và góc va chạm. |
Phần kết luận
Khi kết thúc chuyến tham quan thế giới của quả lắc đạn đạo, chúng ta không khỏi thán phục sức sáng tạo của những người đã làm ra nó.
Con lắc đạn đạo đã là một phần quan trọng trong lĩnh vực đạn đạo và khoa học pháp y kể từ khi nó được chế tạo lần đầu tiên.
Nhưng con lắc đạn đạo cũng là một ví dụ điển hình về cách khoa học và kỹ thuật gặp nhau ở điểm mà các lý thuyết và nguyên tắc được đưa vào sử dụng trong thế giới thực.
Nó cho thấy tầm quan trọng của những khám phá khoa học và ý tưởng mới cũng như cách chúng định hình và thay đổi thế giới chúng ta đang sống.
Vì vậy, khi chúng ta tiếp tục đẩy mạnh các giới hạn của nghiên cứu khoa học, đừng quên chúng ta đến từ đâu cũng như các thiết bị và ý tưởng đã giúp cho những đổi mới ngày nay trở nên khả thi.
Liên kết và tài liệu tham khảo
Đại học Vật lý với Vật lý hiện đại
Chia sẻ…
